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Quinta, 05 Setembro 2019 14:36

Brasileiros surfam também nas ondas gravitacionais

No início de fevereiro, foi noticiada a primeira detecção de ondas gravitacionais pelo projeto Ligo (sigla em inglês de Laser Interferometer Gravitacional-wave Observatory) nos Estados Unidos. E por que esse feito é tão importante? Porque ele se refere à comprovação que faltava sobre  a Teoria da Relatividade Geral, de Albert Einstein, publicada há cem anos. As ondas gravitacionais foram detectadas em 14 de setembro de 2015 e, de acordo com os pesquisadores, foram geradas pela fusão de dois buracos negros.

Ligo reúne centenas de pesquisadores de 16 países, dentre eles o Brasil. O doutor César Costa, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), e o bolsista de iniciação cientifica, Allan Douglas, da Universidade Estadual de São Paulo (Unesp), são alguns dos pesquisadores brasileiros que participam do projeto. Eles bateram um papo com o Canal Ciência para explicar a importância da detecção das ondas gravitacionais e as participações deles nesse projeto.
 

Confira a entrevista! 

O que são ondas gravitacionais e qual a importância da detecção delas?

As ondas gravitacionais foram previstas por Albert Einstein, em 1916, em sua Teoria da Relatividade Geral (TRG). Nessa Teoria, todos os eventos no universo são descritos em um sistema de quatro dimensões, chamado de sistema de coordenadas espaço-tempo, no qual há três dimensões espaciais (altura, largura e profundidade) e uma temporal (o próprio tempo). Assim, de acordo com a TRG, a matéria provoca mudança na geometria do espaço-tempo, criando uma deformação. Quanto maior for a massa de objetos, como estrelas e buracos negros, maior será a deformação que essa massa promoverá no sistema. A deformação fará com que os objetos acelerem e causem perturbações no espaço-tempo e essas perturbações são chamadas de ondas gravitacionais. Tais ondas se propagam pelo próprio espaço-tempo na velocidade da luz, mas possuem amplitudes muito pequenas para serem detectadas. Apenas fenômenos extremos no Universo podem emitir ondas detectáveis e foi isso que aconteceu e virou notícia: a colisão e fusão de dois buracos negros com massa 30 vezes maior que a do nosso Sol, gerando ondas gravitacionais detectáveis.

As ondas gravitacionais nunca haviam sido detectadas antes. Pela primeira vez conseguimos a detecção direta dessas ondas, confirmando a última predição que ainda não tinha sido confirmada da TRG. A importância dessa descoberta vai além da mera confirmação da Teoria: ela permitirá estudar diretamente fenômenos que não eram observáveis através das ondas eletromagnéticas ou de raios cósmicos. Por exemplo, foi a primeira observação direta da fusão de dois buracos negros, fenômeno que não pode ser observado com os métodos convencionais. Esta detecção, além de ser um marco na ciência, representa  a abertura de uma nova janela para observar o Universo, inaugurando um ramo completamente novo da astronomia: a astronomia de ondas gravitacionais. 

Por que as ondas gravitacionais nunca tinham sido observadas antes?

Mesmos objetos com grande massa, como os buracos negros, geram ondas gravitacionais extremamente pequenas. O sinal detectado possui uma amplitude de onda 10 mil vezes menor que o diâmetro de um próton. Antes do Ligo realizar a tão esperada detecção, foi necessário empregar a mais alta tecnologia disponível a fim de que o detector alcançasse a sensibilidade requerida para detectar um sinal tão pequeno como o de uma onda gravitacional. Isto porque o detector deve ser capaz de distinguir o sinal da onda de outras fontes que geram ruídos e interferências inerentes ao experimento como, por exemplo, a agitação térmica das partículas das suspensões dos espelhos, o movimento dos fótons incidentes nos espelhos, a distribuição dos fótons no feixe de laser, flutuações no campo gravitacional terrestre, atividades sísmicas e etc. Por isso, demorou 100 anos para que tecnologia fosse desenvolvida para ter a precisão necessária nas medidas.

Como foi feito o experimento que detectou as ondas gravitacionais?

Ligo é o maior observatório de ondas gravitacionais e um dos mais importantes experimentos de física do mundo. Ele está situado nos Estados Unidos e consiste em dois interferômetros a laser (um tipo equipamento óptico) separados por aproximadamente 3.000 km; um situado em Livingston, no estado da Louisiana, e outro em Hanford, no estado de Washington.  A estrutura do Ligo é baseado em um interferômetro de Michelson, porém mais sofisticado. Um feixe de laser é emitido em direção a um espelho semitransparente chamado de divisor de feixes. Este feixe original é dividido então em dois novos feixes, que seguem caminhos perpendiculares ao longo dos braços do interferômetro; para o Ligo, os braços de cada interferômetro têm aproximadamente 4 km. Os feixes são enviados e refletidos pelos espelhos no final dos braços e retornam ao divisor de feixes onde são combinados novamente em único feixe. Essa recombinação gera um padrão de interferência em um fotodetector e a passagem de uma onda gravitacional ‘estica’ um dos braços e ‘encolhe’ o outro, alterando assim o caminho óptico que a luz percorre e, consequentemente, o padrão de interferência no feixe resultante. O sinal óptico desse feixe é captado por um fotodetector e é a partir desse sinal que os cientistas do Ligo são capazes de dizer se encontraram uma onda gravitacional.

Esse é um esquema básico de como um interferômetro funciona. Na prática, os detectores do Ligo são muito mais complexos. Existem muitos outros componentes que otimizam a capacidade do detector. Como o Ligo tem dois detectores em lugares diferentes, para que possa verificar se um sinal corresponde ao de uma onda gravitacional ou meramente a um ruído, é possível determinar a localização da fonte emissora das ondas e a polarização destas.  

Como foi a participação brasileira nesse projeto, em especial a participação de vocês?

O Brasil tem dois grupos de pesquisa em ondas gravitacionais: um no Instituto de Física Teórica (IFT), da Unesp, e outro situado no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe). O primeiro é liderado por Ricardo Sturani, que utiliza modelos matemáticos e técnicas de computação para análise, compreensão e estudo de dados dos sinais provenientes de sistemas estelares binários coalescentes (um sistema composto por duas estrelas ou dois buracos negros que estão em rota de colisão). A colaboração do Inpe teve início em 2011, por meio do Grupo de Pesquisa em Ondas Gravitacionais da Divisão de Astrofísica (GWINPE/DAS), dirigido por Odylio Aguiar e César Costa, com apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). O Grupo trabalha com o desenvolvimento de sistemas de isolamento vibracional inovadores para o Ligo, bem como em projetos adaptados para a operação dos espelhos do Ligo em baixas temperaturas, que hoje funcionam em temperatura ambiente, mas controlada. Nesse Grupo também participam dois alunos de doutorado, Márcio Constancio Júnior e Elvis Camilo Ferreira, um aluno de iniciação científica, Allan Douglas, e o técnico Marcos Okada.
 
César Costa iniciou sua colaboração com o Ligo antes mesmo do Inpe, em 2008, quando foi morar nos Estados Unidos para realizar pós-doutorado no Departamento de Física e Astronomia da Universidade Estadual da Louisiana,  a cerca de 50 km da base do Ligo de  Livingston. Ele trabalhou com o grupo DetChar (do inglês, Detector Characterization), caracterizando o desempenho de vários sensores que monitoram o ambiente e a instrumentação do Ligo. “Isto ajudou a eliminar dos dados as interferências causadas pelo mau funcionamento de algum equipamento. Também monitoramos o ambiente em torno do Ligo como sismômetros, magnetômetros, microfones, geofones, entre outros equipamentos, para garantir que os sinais que encontramos nos dados não são devido a um caminhão passando na rodovia, as ondas  quebrando no oceano, um terremoto, uma descarga elétrica, ou mesmo um avião passando sobre o local do experimento, por exemplo.  Esse arsenal de equipamentos faz a filtragem dos dados, eliminando interferências, o que facilita a busca por sinais gravitacionais”, explicou César. Em 2012, o pesquisador retornou ao Inpe, mas continua trabalhado no DetChar e na colaboração com o Ligo, por meio da internet e teleconferências.

Allan Douglas cursa Engenharia Mecânica na Unesp de Guaratinguetá e iniciou suas atividades no Grupo de Pesquisa em 2013, participando do projeto de um sistema de isolamento vibracional em baixas frequências e de um sistema isolado de resfriamento para os espelhos do Ligo. “O objetivo é que algum desses sistemas seja incorporado a futuras versões do detector do Ligo, previstas para meados da próxima década”, esclareceu Allan. Ele participa modelando componentes em CAD (desenho assistido por computador), fazendo simulações computacionais do comportamento térmico do sistema que o grupo desenvolve e estudando uma descrição teórica para o movimento do sistema e sua capacidade de atenuação. 

Qual o impacto da comprovação da existência das ondas gravitacionais sobre a ciência e para a sociedade?

“Para a ciência é difícil estimar”, afirmou César Costa. Para os pesquisadores, esta é a maior descoberta da década, talvez do século. As ondas gravitacionais eram o último legado de Einstein, e sua detecção mostrou que a sua Teoria modela o Universo perfeitamente, em todos os aspectos que ela previu. A descoberta das ondas gravitacionais é um grande marco para a ciência contemporânea. Tal descoberta pode ser comparada ao feito de Galileu, que aperfeiçoou o telescópio e o apontou para os planetas a fim de observá-los. “De lá para cá, veja quanta coisa aprendemos sobre o Universo”, ressaltou César. Um novo ramo da ciência nasceu com esta descoberta, a Astronomia de Ondas Gravitacionais, e com ela uma nova janela para observar o Universo. Agora que a existência das ondas gravitacionais foi comprovada, as agências financiadoras de ciência investirão em novos projetos para observá-las ainda mais e produzir mais ciência. Projetos como os detectores espaciais ganharão impulso, toda a faixa espectral de fontes gravitacionais poderão ser investigadas atrás de novas ondas. “Nosso conhecimento sobre o Universo será ampliado de forma que não temos como prever”, afirmou César.

Já para a sociedade, além de mostrar mais uma vez como a ciência pode ampliar horizontes e melhorar nosso entendimento sobre o Universo que habitamos, vem o benefício  tecnológico. Como retorno imediato, há toda a tecnologia  desenvolvida para se construir o Ligo, como a régua mais precisa construída pela humanidade, os sistemas de controle, a óptica, laser, sistemas de suspensão etc. Essas novas tecnologias serão, brevemente, utilizadas em equipamentos para melhorar a qualidade de vida das pessoas. “Quando Maxwell propôs as ondas eletromagnéticas e Hertz as detectou 15 anos depois, não tinham ideia do que poderíamos fazer com elas. Hoje, celulares, computadores, wi-fi e toda a comunicação global não existiriam se não houvéssemos entendido como elas funcionam. O mesmo acontecerá com as ondas gravitacionais. O que sabemos é que um terreno completamente novo poderá, agora, ser explorado e esperamos que possamos encontrar muitas outras surpresas olhando por essa nova janela do universo” conclui César Costa.

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Veja imagens do Projeto Ligo!

Equipe Canal Ciência
01/3/16

Última modificação em Terça, 01 Outubro 2019 15:17

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